Сканирующая зондовая микроскопия - Википедия - Scanning probe microscopy

Часть серия статей о
Нанотехнологии
Влияние и Приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Сканирующая зондовая микроскопия (SPM) является ветвью микроскопия который формирует изображения поверхностей с помощью физического зонда, который сканирует образец. SPM была основана в 1981 году с изобретением сканирующий туннельный микроскоп, инструмент для визуализации поверхностей на атомном уровне. Первый успешный эксперимент на сканирующем туннельном микроскопе был проведен Герд Бинниг и Генрих Рорер. Ключом к их успеху было использование петли обратной связи для регулирования расстояния между образцом и зондом.[1]

Многие сканирующие зондовые микроскопы могут одновременно отображать несколько взаимодействий. Способ использования этих взаимодействий для получения изображения обычно называется режимом.

Разрешение несколько варьируется от метода к методике, но некоторые методы исследования позволяют достичь довольно впечатляющего атомного разрешения.[нужна цитата ] Во многом это связано с тем, что пьезоэлектрические приводы может выполнять движения с точностью и точностью на атомарном уровне или лучше по электронной команде. Это семейство методов можно назвать «пьезоэлектрическими методами». Другой общий знаменатель заключается в том, что данные обычно получаются в виде двумерной сетки точек данных, визуализированных в ложный цвет как компьютерный образ.

Установленные типы

Формирование имиджа

Для формирования изображений используются сканирующие зондовые микроскопы. растровое сканирование кончик по поверхности. В дискретных точках растрового сканирования записывается значение (значение зависит от типа SPM и режима работы, см. Ниже). Эти записанные значения отображаются в виде Тепловая карта для создания окончательных изображений СТМ, обычно с использованием черно-белой или оранжевой цветовой шкалы.

Режим постоянного взаимодействия

В режиме постоянного взаимодействия (часто называемом «в режиме обратной связи») контур обратной связи используется для физического перемещения датчика ближе к поверхности или дальше от поверхности (в z оси) изучается для поддержания постоянного взаимодействия. Это взаимодействие зависит от типа SPM, для сканирующей туннельной микроскопии взаимодействием является туннельный ток, для контактного режима AFM или MFM - это консоль отклонение и т. д. Тип используемого контура обратной связи обычно является PI-контуром, который ПИД-контур где дифференциальное усиление установлено на ноль (поскольку оно усиливает шум). В z положение наконечника (плоскость сканирования - ху-плоскость) периодически записывается и отображается в виде тепловой карты. Это обычно называется изображением топографии.

В этом режиме также берется второе изображение, известное как «сигнал ошибки» или «изображение ошибки», которое представляет собой тепловую карту взаимодействия, полученного по обратной связи. При идеальной работе это изображение будет пустым с постоянным значением. который был установлен на петле обратной связи. При реальной работе изображение показывает шум и часто некоторые признаки структуры поверхности. Пользователь может использовать это изображение для редактирования коэффициентов обратной связи, чтобы минимизировать особенности в сигнале ошибки.

Если коэффициенты усиления установлены неправильно, возможно множество артефактов изображения. Если усиление слишком низкое, детали могут выглядеть смазанными. Если коэффициенты усиления слишком высоки, обратная связь может стать нестабильной и колебаться, создавая полосатые элементы на изображениях, которые не являются физическими.

Режим постоянной высоты

В режиме постоянной высоты зонд не перемещается в zось при растровом сканировании. Вместо этого записывается значение изучаемого взаимодействия (то есть туннельный ток для СТМ или амплитуда колебаний кантилевера для бесконтактного АСМ с амплитудной модуляцией). Эта записанная информация отображается в виде тепловой карты и обычно называется изображением постоянной высоты.

Создание изображений с постоянной высотой намного сложнее, чем с постоянным взаимодействием, поскольку вероятность врезания зонда в поверхность образца гораздо выше.[нужна цитата ] Обычно перед выполнением построения изображения с постоянной высотой необходимо выполнить изображение в режиме постоянного взаимодействия, чтобы проверить, нет ли на поверхности крупных загрязнений в области изображения, измерить и скорректировать наклон образца и (особенно при медленном сканировании) измерить и скорректировать тепловой дрейф образец. Пьезоэлектрическая ползучесть также может быть проблемой, поэтому микроскопу часто требуется время для стабилизации после больших перемещений, прежде чем можно будет получить изображение с постоянной высотой.

Визуализация с постоянной высотой может быть полезной для исключения возможности артефактов обратной связи.[нужна цитата ]

Наконечники зонда

Природа SPM наконечник зонда полностью зависит от типа используемого ВОП. Сочетание формы наконечника и топографии образца составляет изображение СЗМ.[34][нужна цитата ] Однако некоторые характеристики являются общими для всех или, по крайней мере, для большинства SPM.[нужна цитата ]

Самое главное, зонд должен иметь очень острый наконечник.[нужна цитата ] Вершина зонда определяет разрешение микроскопа, чем острее зонд, тем лучше разрешение. Для получения изображений с атомным разрешением зонд должен быть ограничен одним атомом.[нужна цитата ]

Для многих кантилеверных ВОП (например, AFM и MFM ), весь кантилевер и встроенный зонд изготавливаются методом кислотного [травления],[35] обычно из нитрида кремния. Проводящие зонды, необходимые для СТМ и СКМ среди прочего, они обычно изготавливаются из платиновой / иридиевой проволоки для работы в условиях окружающей среды или из вольфрама для UHV операция. Другие материалы, такие как золото, иногда используются либо для конкретных образцов, либо если SPM должен быть объединен с другими экспериментами, такими как TERS. Платиновые / иридиевые (и другие датчики окружающей среды) обычно режут с помощью острых кусачков, оптимальный метод - прорезать большую часть провода, а затем потянуть, чтобы защелкнуть последний из проводов, что увеличивает вероятность обрыва одиночного атома. Вольфрамовые проволоки обычно подвергают электрохимическому травлению, после чего оксидный слой обычно необходимо удалить, когда наконечник находится в условиях сверхвысокого вакуума.

Нередко зонды СЗМ (как покупные, так и «самодельные») не получают изображения с желаемым разрешением. Это может быть слишком тупой наконечник или датчик может иметь более одного пика, что приводит к двойному или ложному изображению. Для некоторых зондов на месте возможна модификация вершины наконечника, обычно это делается либо путем врезания наконечника в поверхность, либо путем приложения большого электрического поля. Последнее достигается приложением напряжения смещения (порядка 10 В) между зондом и образцом, поскольку это расстояние обычно составляет 1-3 Ангстремы, создается очень большое поле.

Преимущества

Разрешение микроскопов не ограничено дифракция, только размером объема взаимодействия зонд-образец (т.е. функция разброса точки ), которые могут составлять всего несколько пикометры. Следовательно, возможность измерения небольших локальных различий в высоте объекта (например, 135 пикометровых шагов на кремнии <100>) не имеет себе равных. В боковом направлении взаимодействие зонд-образец распространяется только на атом острия или атомы, участвующие во взаимодействии.

Взаимодействие можно использовать для модификации образца для создания небольших структур (Литография сканирующего зонда ).

В отличие от методов электронного микроскопа, образцы не требуют частичного вакуума, но их можно наблюдать на воздухе при стандартной температуре и давлении или при погружении в жидкий реакционный сосуд.

Недостатки

Детальную форму сканирующего наконечника иногда трудно определить. Его влияние на результирующие данные особенно заметно, если образец сильно различается по высоте на поперечных расстояниях 10 нм или меньше.

Методы сканирования обычно медленнее получают изображения из-за процесса сканирования. В результате прилагаются усилия, чтобы значительно улучшить скорость сканирования. Как и все методы сканирования, встраивание пространственной информации во временную последовательность открывает двери для неопределенностей в метрологии, скажем, в отношении поперечных расстояний и углов, которые возникают из-за эффектов во временной области, таких как дрейф образца, колебания контура обратной связи и механическая вибрация.

Максимальный размер изображения обычно меньше.

Сканирующая зондовая микроскопия часто бесполезна для изучения заглубленных границ раздела твердое-твердое или жидкость-жидкость.

Программное обеспечение для визуализации и анализа

Во всех случаях, в отличие от оптических микроскопов, для создания изображений необходимо программное обеспечение. Такое программное обеспечение производится и встраивается производителями приборов, но также доступно в качестве аксессуара в специализированных рабочих группах или компаниях. Основные используемые пакеты являются бесплатными: Гвиддион, WSxM (разработано Nanotec) и коммерческое: SPIP (разработано Метрология изображения ), FemtoScan Online (разработано Центр передовых технологий ), ГорыКарта SPM (разработан Цифровой серфинг ), TopoStitch (разработан Метрология изображения ).

Рекомендации

  1. ^ Салапака, Шриниваса; Салапака, Мурти (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия». Журнал IEEE Control Systems. 28 (2): 65–83. Дои:10.1109 / MCS.2007.914688. ISSN  0272-1708.
  2. ^ Binnig, G .; К. Ф. Кейт; Гл. Гербер (1986-03-03). «Атомно-силовой микроскоп». Письма с физическими проверками. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986ПхРвЛ..56..930Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.930. PMID  10033323.
  3. ^ Zhang, L .; Т. Сакаи, Н. Сакума, Т. Оно, К. Накаяма; Sakuma, N .; Оно, Т .; Накаяма, К. (1999). «Исследование наноструктурной проводимости и поверхностного потенциала углеродных пленок с низкой автоэмиссией с помощью проводящей сканирующей зондовой микроскопии». Письма по прикладной физике. 75 (22): 3527–3529. Bibcode:1999АпФЛ..75.3527З. Дои:10.1063/1.125377.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ Уивер, Дж. М. Р .; Дэвид В. Абрахам (1991). «Потенциометрия атомно-силовой микроскопии высокого разрешения». Журнал вакуумной науки и техники B. 9 (3): 1559–1561. Bibcode:1991JVSTB ... 9,1559 Вт. Дои:10.1116/1.585423.
  5. ^ Нонненмахер, М .; М. П. О'Бойл; Х. К. Викрамасингхе (1991). «Зонд силовая микроскопия Кельвина». Письма по прикладной физике. 58 (25): 2921–2923. Bibcode:1991АпФЛ..58.2921Н. Дои:10.1063/1.105227.
  6. ^ Хартманн, У. (1988). «Магнитно-силовая микроскопия: некоторые замечания с микромагнитной точки зрения». Журнал прикладной физики. 64 (3): 1561–1564. Bibcode:1988JAP .... 64.1561H. Дои:10.1063/1.341836.
  7. ^ Рулофс, А .; У. Боттгер, Р. Васер, Ф. Шлафоф, С. Трогиш, Л. М. Энг (2000). «Дифференциация 180 ° и 90 ° переключения сегнетоэлектрических доменов с помощью трехмерной силовой микроскопии пьезоотклика». Письма по прикладной физике. 77 (21): 3444–3446. Bibcode:2000АпФЛ..77.3444Р. Дои:10.1063/1.1328049.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ Matey, J. R .; Ж. Блан (1985). «Сканирующая емкостная микроскопия». Журнал прикладной физики. 57 (5): 1437–1444. Bibcode:1985JAP .... 57.1437M. Дои:10.1063/1.334506.
  9. ^ Эрикссон, М. А .; Р. Г. Бек, М. Топинка, Дж. А. Катин, Р. М. Вестервельт, К. Л. Кэмпман, А. К. Госсард (1996-07-29). «Криогенное сканирование зондом для определения характеристик полупроводниковых наноструктур». Письма по прикладной физике. 69 (5): 671–673. Bibcode:1996АпФЛ..69..671Э. Дои:10.1063/1.117801. Получено 2009-10-05.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  10. ^ Тренклер, Т .; П. Де Вольф, В. Вандерворст, Л. Хеллеманс (1998). «Нанопотенциометрия: Измерения локального потенциала в дополнительных металл-оксид-полупроводниковых транзисторах с использованием атомно-силовой микроскопии». Журнал вакуумной науки и техники B. 16 (1): 367–372. Bibcode:1998JVSTB..16..367T. Дои:10.1116/1.589812.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  11. ^ Fritz, M .; М. Радмахер, Н. Петерсен, Х. Э. Гауб (май 1994 г.). «Визуализация и идентификация внутриклеточных структур с помощью микроскопии силовой модуляции и лекарственной деградации». Международная конференция по сканирующей туннельной микроскопии 1993 г.. Международная конференция 1993 г. по сканирующей туннельной микроскопии. 12. Пекин, Китай: AVS. С. 1526–1529. Bibcode:1994JVSTB..12.1526F. Дои:10.1116/1.587278. Получено 2009-10-05.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  12. ^ Binnig, G .; Х. Рорер, гл. Гербер, Э. Вейбель (1982). «Туннелирование через регулируемый вакуумный зазор». Письма по прикладной физике. 40 (2): 178–180. Bibcode:1982АпФЛ..40..178Б. Дои:10.1063/1.92999.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  13. ^ Kaiser, W. J .; Л. Д. Белл (1988). «Прямое исследование электронной структуры подповерхностной границы раздела с помощью баллистической электронно-эмиссионной микроскопии». Письма с физическими проверками. 60 (14): 1406–1409. Bibcode:1988ПхРвЛ..60.1406К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.60.1406. PMID  10038030.
  14. ^ Higgins, S. R .; Р. Дж. Хамерс (март 1996 г.). Морфология и процессы растворения минералов сульфидов металлов, наблюдаемые с помощью электрохимического сканирующего туннельного микроскопа. Журнал вакуумной науки и техники B. 14. AVS. С. 1360–1364. Bibcode:1996JVSTB..14.1360H. Дои:10.1116/1.589098. Получено 2009-10-05.
  15. ^ Чанг, А. М .; Х. Д. Халлен, Л. Харриотт, Х. Ф. Гесс, Х. Л. Као, Дж. Кво, Р. Э. Миллер, Р. Вулф, Дж. Ван дер Зил, Т. Ю. Чанг (1992). «Сканирующая зондовая микроскопия Холла». Письма по прикладной физике. 61 (16): 1974–1976. Bibcode:1992АпФЛ..61.1974С. Дои:10.1063/1.108334.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ Wiesendanger, R .; М. Боде (25 июля 2001 г.). «Магнетизм нано- и атомного масштаба изучается методами спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии». Твердотельные коммуникации. 119 (4–5): 341–355. Bibcode:2001SSCom.119..341W. Дои:10.1016 / S0038-1098 (01) 00103-X. ISSN  0038-1098.
  17. ^ Reddick, R.C .; Р. Дж. Вармак; Т. Л. Феррелл (1989-01-01). «Новая форма сканирующей оптической микроскопии». Физический обзор B. 39 (1): 767–770. Bibcode:1989PhRvB..39..767R. Дои:10.1103 / PhysRevB.39.767.
  18. ^ Vorlesungsskript Physikalische Elektronik und Messtechnik (на немецком)
  19. ^ Фолькер Роуз, Джон В. Фриланд, Стивен К. Страйфер (2011). «Новые возможности на стыке рентгеновских лучей и сканирующей туннельной микроскопии». В Калинине Сергей В .; Груверман, Алексей (ред.). Сканирующая зондовая микроскопия функциональных материалов: наноразмерная визуализация и спектроскопия (1-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр.405 –431. Дои:10.1007/978-1-4419-7167-8_14. ISBN  978-1-4419-6567-7.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  20. ^ Hansma, PK; Б. Дрейк, О Марти, С. А. Гулд, К. Б. Пратер (1989-02-03). «Сканирующий микроскоп ионной проводимости». Наука. 243 (4891): 641–643. Bibcode:1989Sci ... 243..641H. Дои:10.1126 / science.2464851. PMID  2464851.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  21. ^ Мейстер, Андре; Габи, Майкл; Бер, Паскаль; Студер, Филипп; Вёрёш, Янош; Нидерманн, Филипп; Биттерли, Джоанна; Полесель-Марис, Жером; Лили, Марта; Хайнцельманн, Гарри; Замбелли, Томазо (2009). «FluidFM: объединение атомно-силовой микроскопии и нанофлюидики в универсальной системе доставки жидкости для одноклеточных и других приложений». Нано буквы. 9 (6): 2501–2507. Bibcode:2009НаноЛ ... 9.2501М. Дои:10.1021 / nl901384x. ISSN  1530-6984. PMID  19453133.
  22. ^ Лапшин Р.В. (2011). «Функциональная сканирующая зондовая микроскопия». В Х. С. Налва (ред.). Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (PDF). 14. США: Американские научные издательства. С. 105–115. ISBN  978-1-58883-163-7.
  23. ^ Sidles, J. A .; Дж. Л. Гарбини, К. Дж. Бруланд, Д. Ругар, О. Цюгер, С. Хоэн, К. С. Яннони (1995). «Магнитно-резонансная силовая микроскопия». Обзоры современной физики. 67 (1): 249–265. Bibcode:1995РвМП ... 67..249С. Дои:10.1103 / RevModPhys.67.249.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  24. ^ BETZIG, E .; Дж. К. ТРАУТМАН, Т. Д. ХАРРИС, Дж. С. ВЕЙНЕР, Р. Л. КОСТЕЛАК (1991-03-22). «Нарушение дифракционного барьера: оптическая микроскопия в нанометрическом масштабе». Наука. 251 (5000): 1468–1470. Bibcode:1991Научный ... 251.1468B. Дои:10.1126 / science.251.5000.1468. PMID  17779440.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  25. ^ Хут, Флориан; Говядинов Александр; Амари, Серджиу; Nuansing, Wiwat; Кейльманн, Фриц; Хилленбранд, Райнер (2012-08-08). «Нано-FTIR абсорбционная спектроскопия молекулярных отпечатков пальцев при пространственном разрешении 20 нм». Нано буквы. 12 (8): 3973–3978. Bibcode:2012NanoL..12.3973H. Дои:10.1021 / nl301159v. ISSN  1530-6984. PMID  22703339.
  26. ^ De Wolf, P .; Дж. Снауверт, Т. Кларисс, В. Вандерворст, Л. Хеллеманс (1995). «Определение характеристик точечного контакта на кремнии с использованием измерений сопротивления с помощью силовой микроскопии». Письма по прикладной физике. 66 (12): 1530–1532. Bibcode:1995АпФЛ..66.1530Д. Дои:10.1063/1.113636.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  27. ^ Xu, J. B .; К. Лаугер, К. Дрансфельд, И. Х. Уилсон (1994). «Термодатчики для исследования теплообмена в сканирующей зондовой микроскопии». Обзор научных инструментов. 65 (7): 2262–2266. Bibcode:1994RScI ... 65.2262X. Дои:10.1063/1.1145225.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  28. ^ Ю, М. Дж .; Фултон, Т. А. и Гесс, Х. Ф., Уиллетт, Р. Л. и Дунклебергер, Л. Н., Чичестер, Р. Дж. И Пфайффер, Л. Н. и Уэст, К. У. (25 апреля 1997 г.). "Сканирующая одноэлектронная транзисторная микроскопия: визуализация индивидуальных зарядов". Наука. 276 (5312): 579–582. Дои:10.1126 / science.276.5312.579.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  29. ^ Исфахани, Эхсан Наср; Эшгинеджад, Ахмад; Оу, Юн; Чжао, Цзиньцзинь; Адлер, Стюарт; Ли, Цзяньюй (ноябрь 2017 г.). «Сканирующая термо-ионная микроскопия: зондирование электрохимии в наномасштабе с помощью колебаний, вызванных тепловым напряжением». Микроскопия сегодня. 25 (6): 12–19. arXiv:1703.06184. Дои:10,1017 / с1551929517001043. ISSN  1551-9295.
  30. ^ Эшгинеджад, Ахмадреза; Наср Исфахани, Эхсан; Ван, Пэйци; Се, Шухун; Гири, Тимоти С .; Адлер, Стюарт Б.; Ли, Цзяньюй (2016-05-28). «Сканирующая термоионная микроскопия для исследования локальной электрохимии на наноуровне». Журнал прикладной физики. 119 (20): 205110. Bibcode:2016JAP ... 119t5110E. Дои:10.1063/1.4949473. ISSN  0021-8979.
  31. ^ Хонг, Сынбум; Тонг, Шэн; Пак, Вун Ик; Хиранага, Ёсиоми; Чо, Ясуо; Рулофс, Андреас (2014-05-06). «Зарядовая градиентная микроскопия». Труды Национальной академии наук. 111 (18): 6566–6569. Bibcode:2014ПНАС..111.6566Н. Дои:10.1073 / pnas.1324178111. ISSN  0027-8424. ЧВК  4020115. PMID  24760831.
  32. ^ Наср Исфахани, Эхсан; Лю, Сяоянь; Ли, Цзянъю (2017). «Отображение сегнетоэлектрических доменов с помощью микроскопии с градиентом заряда, усиленной анализом главных компонентов». Журнал Материомики. 3 (4): 280–285. arXiv:1706.02345. Дои:10.1016 / j.jmat.2017.07.001.
  33. ^ Парк, Хонгсик; Юнг, Джухван; Мин, Донг-Ки; Ким, Сондон; Хонг, Сынбум; Шин, Хёнджунг (2004-03-02). «Сканирующая резистивная зондовая микроскопия: отображение сегнетоэлектрических доменов». Письма по прикладной физике. 84 (10): 1734–1736. Bibcode:2004АпФЛ..84.1734П. Дои:10.1063/1.1667266. ISSN  0003-6951.
  34. ^ Боттомли, Лоуренс А. (19 мая 1998 г.). «Сканирующая зондовая микроскопия». Аналитическая химия. 70 (12): 425–476. Дои:10.1021 / a1980011o.
  35. ^ Akamine, S .; Barrett, R.C .; Quate, C.F. (1990). «Улучшенные изображения атомно-силового микроскопа с использованием микрокантилеверов с острыми кончиками». Письма по прикладной физике. 57 (3): 316. Bibcode:1990АпФЛ..57..316А. Дои:10.1063/1.103677.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка